膳食营养素在2型糖尿病中降血糖作用及其机制的研究进展

许 飞， 陈林军， 聂志妍， 那立欣

(上海健康医学院 微生物与免疫教研室 检验与检疫系， 上海 201318)

糖尿病(diabetes mellitus，DM)是一类由胰岛素分泌受损，胰岛素抵抗或两者皆有而引起的以高血糖为主要特征的慢性代谢性疾病[1]。根据发病机制，DM可分为1型糖尿病(Type 1 diabetes mellitus，T1DM)和2型糖尿病(Type 2 diabetes mellitus，T2DM)。T1DM，又被称为胰岛素依赖型糖尿病或青少年型糖尿病，是自身免疫反应破坏胰岛β细胞所致。因此，患者的治疗必须依赖外源性胰岛素的补充[2]。T2DM是由于胰岛素分泌不足或者胰岛素抵抗(Insulin Resistance，IR)引起的，与遗传因素和环境因素(包括饮食)均有关[3-4]。

到目前为止，全基因组关联研究(Genome-wide association study，GWAS)已经鉴定了超过200种T2DM相关的遗传变异，并发现许多与胰岛素分泌途径、胰岛素信号传导、胰腺/细胞功能障碍和IR途径相关的基因变异位点[5-6]。尽管遗传学研究取得了进展，但很明显遗传因素并不能解释所有的T2DM个体倾向。因为除了遗传因素以外，营养摄取和膳食模式也是2型糖尿病预防、治疗和研究所要考虑的核心问题。基于“基因组学”“转录组学”“蛋白质组学”和“代谢组学”等组学技术的发展，“营养基因组学”(Nutrigenomics)这一新兴领域顺势而生，并迅速发展成为营养学研究的热点[7-8]。营养基因组学是研究饮食(营养素摄取及膳食模式)对基因组稳定性、RNA转录和蛋白质表达影响的科学[9-10]。流行病学研究结果显示，T2DM的发病机制与遗传因素和环境因素(包括饮食)均有关[11]。因此，营养基因组学的研究将有助于我们更好地理解T2DM的发病机制，为T2DM预防和治疗提供更多的理论依据。

膳食中的营养素可以通过多种方式影响机体内某种细胞的基因表达(表1)：它们可以直接作为转录因子的配体；或者，营养素代谢产生的中间体或底物可改变细胞信号传导途径[5, 10]。因此，对营养素摄入及膳食模式对基因表达的影响及其机制的研究，将有助于我们建立基于个体基因组结构特征上的营养保健方法和膳食干预手段，使得营养学研究的成果能够更有效地应用于慢性疾病的预防和治疗。本文将着重从常见的膳食营养物质(多酚类化合物、膳食脂肪、维生素和氨基酸)在T2DM中降血糖作用及其机制的研究进展做一概述。

1 多酚类化合物在T2DM中的降血糖作用

植物多酚是多羟基酚类化合物的总称，广泛存在于水果、蔬菜、豆类、谷物和茶等植物中，参与植物生长繁殖过程，协助植物防御病原、天敌等侵害，具有抗氧化、抗肿瘤、保护肝脏等多种生理学功能[12]。植物多酚以苯酚为基本骨架，以苯环的多羟基取代为特征，从低分子量的简单酚类到分子量大至数千道尔顿的单宁类，按结构可分为酚酸类(phenolic acids)、类黄酮类(flavonoids)、木酚素类(lignans)及1,2-二苯乙烯，又称茋(stilbene)[13]。膳食多酚化合物可以通过多种方式发挥降血糖作用，例如减少葡萄糖摄取、促进胰岛素分泌和提高胰腺细胞功能等[8-9，14-15]。

1.1 酚酸在T2DM中的降血糖作用

植物性食物中酚酸的含量十分丰富，最常见的酚酸类物质是咖啡酸[16]。咖啡中含有丰富的咖啡因、还有咖啡酸、绿原酸等成分，可以有效地对抗损害我们身体健康的自由基。流行病学研究表明，与不喝或很少喝咖啡的对照组相比，实验组咖啡因摄入量与2型糖尿病呈剂量-反应关系，提示习惯性喝咖啡与2型糖尿病风险降低相关[17]。研究表明，咖啡酸可抑制胰岛β细胞的α-淀粉酶和α-葡萄糖苷酶的活性[18]。在小鼠前脂肪细胞3T3-L1细胞中，咖啡酸可减少脂质的积累，并抑制分化标记基因的表达，如过氧化物酶体增殖物激活受体(Peroxisome proliferator activated receptor gama，PPARγ)、脂联素(Adiponectin)和葡萄糖转运蛋白4(adipocyte glucose transporter type 4，Glut4)[19]。在db / db小鼠模型中，绿原酸可以通过提高肝脏和肌肉中脂联素及其受体的表达，增强脂联素受体信号通路来降低空腹血糖水平。此外，绿原酸会通过下调肝葡萄糖-6-磷酸酶(hepatic glucose-6-phosphatase，G6Pase)活性来抑制糖异生，并可通过上调AMP活化蛋白激酶(Adenosine 5′-monophosphate (AMP)-activated protein kinase，AMPK)增加骨骼肌中的葡萄糖转运[20]。在高糖高脂诱导的2型糖尿病大鼠模型中，咖啡酸可通过抑制糖原异生和胰岛素信号传导抑制因子(如糖异生酶基因PEPCK)的表达来改善大鼠的葡萄糖稳态[21]。

1.2 类黄酮化合物在T2DM中的降血糖作用

膳食类黄酮包括黄酮、黄酮醇、黄烷醇、黄烷酮、异黄酮和花青素。这些化合物已被证明会影响不同的细胞信号通路(胰岛素分泌、胰岛素信号传导和葡萄糖摄取、增强线粒体状态、抑制炎性细胞因子的产生等)，对葡萄糖稳态的维持有积极的保护作用 。

主要的膳食黄酮醇之一是槲皮素，多存在于红葡萄酒、水果、蔬菜和坚果中。在链脲佐菌素(Streptozotocin，STZ)诱导的T2DM小鼠模型中，槲皮素可以通过下调细胞周期蛋白依赖激酶抑制蛋白(Cyclin dependent kinase inhibitor 1a，Cdkn1a)来显著降低血糖，并增加血清胰岛素浓度[22]。此外，槲皮素有利于糖尿病神经病变的治疗。研究证明槲皮素可以通过激活Nrf-2 / HO-1和抑制NF-κB，从而保护体外培养的大鼠背根神经节神经元抵抗高葡萄糖诱导的细胞凋亡[23]。槲皮素还在雄性C57Bl / 6j小鼠模型和肥胖的Zucker大鼠模型中显示出抗炎作用。在高脂(High-fat diet，HFD)喂养的雄性C57Bl /6j小鼠中，膳食补充槲皮素可显著减少炎症干扰素-γ(Interferon-gamma，IFN-γ)，白细胞介素-α(Interleukin-1alpha，IL-1α)和白细胞介素-4(Interleukin-4，IL-4)等循环标志物的表达[24]。在肥胖的Zucker大鼠中，给予2或者10 mg/kg剂量的槲皮素10周可改善血脂异常和高胰岛素血症，并且高剂量(10 mg/kg)的槲皮素显示出了明显的抗炎作用[25]。

表没食子儿茶素没食子酸酯(epigallocatechin gallate，EGCG)是最常见的黄烷醇类化合物。EGCG发挥多种生物学功能，包括胰岛素分泌、葡萄糖摄取、胰岛素抵抗、葡萄糖耐量、氧化应激、炎症和线粒体功能的改善等[26]。EGCG通过增加AMPK信号传导来抑制脂肪生成酶的活性和改善线粒体功能[26]。EGCG还可以通过调节B淋巴细胞瘤-2(B-cell lymphoma-2，BCL-2)的表达来保护β细胞免受促炎细胞因子诱导的细胞毒性作用[27]。此外，药理剂量(饮食中1%)的EGCG可以通过降低肉毒碱棕榈酰转移酶1(Carnitine palmitoyltransferase 1，L-Cpt-1)和内质网应激标记物——DNA损伤诱导转录物3(DNA-damage-inducible transcript 3，Ddit3)的表达来改善胰腺β细胞的胰岛素分泌[28]。动物实验表明，EGCG以剂量依赖性方式上调肥胖db/db小鼠的肝脏和脂肪组织中的酰基辅酶A氧化酶-1(AcylCoA oxidase-1, ACO-1)和肉毒碱棕榈酰转移酶-1(Carnitine palmitoyl transferase-1, CPT-1)的表达，从而缓解高血糖症状[29]。存在于柑橘类水果中的柚皮苷和橙皮苷是两种常见的黄烷酮，也具有降血糖和降血脂作用。例如，膳食补充橙皮苷或柚皮苷可以通过上调肝脏过氧化物酶体增殖物激活受体(Peroxisome proliferator activated receptor gama，PPARγ)和4型脂肪细胞葡萄糖转运蛋白(Adipocyte glucose transporter type 4，Glut4)的表达来改善C57BL / KsJ-db/db小鼠的高血糖症状[30]。在喂食高脂饮食并给予低剂量STZ诱导的T2DM大鼠模型中，柚皮苷的摄入可以促进PPARγ和热休克蛋白(Heat shock proteins，Hsp)的表达，从而改善高血糖，高胰岛素血症和胰岛素抵抗[30]。

芹菜素、木犀草素和花青素也是常见的膳食黄酮，它们存在于芹菜、欧芹和许多草药中。在RIN细胞(大鼠胰岛β细胞瘤细胞)中，芹菜素和木犀草素通过抑制诱导型一氧化氮合酶(iNos)表达来抑制细胞凋亡[31]。研究发现，花青素可降低T2DM小鼠模型的血糖水平，从而改善胰岛素敏感性。花青素的降血糖作用可能是通过上调溶质载体家族2成员4(Solute carrier family 2 members 4，Slc2a4)(编码GLUT 4转运蛋白的基因)和相关的炎性脂肪细胞因子来介导的[32]。食用富含花青素的食物(特别是蓝莓和苹果或梨)，可以降低T2DM的发病风险[33]。主要的膳食异黄酮是大豆苷元和染料木黄酮，它们主要存在于大豆食品中。在STZ诱导的T2DM小鼠模型中，染料木黄酮可以诱导细胞周期蛋白D1(Cyclin D1，Ccnd1)(Ccnd1是胰岛β细胞生长所需的主要细胞周期调节因子)的表达来促进胰岛β细胞增殖，从而改善T2DM小鼠的高血糖症状[34]。

总之，黄酮类化合物可以通过调节胰岛素释放、胰岛素敏感性、胰岛β细胞增殖和存活等各种细胞代谢信号通路来发挥降血糖的作用[8-10，14-16]。

2 膳食脂肪在T2DM中的降血糖作用

众所周知，高脂肪饮食(主要是饱和脂肪酸(Saturated fatty acids, SFAs)与T2DM发病风险正有关[35-36]。然而，脂肪对基因表达的影响是多样的。在胰岛β细胞长期暴露于棕榈酸后，前胰岛素以及重要的转录因子(如Pdx1和MafA)的表达被抑制，从而导致胰岛β细胞衰竭[37]。此外，参与细胞氧化还原状态的基因，如硫氧还蛋白相互作用蛋白(Thioredoxin interactin protein，Txnip)、过氧化氢酶(Catalase，Cat)和过氧化物酶4(Peroxiredoxin 4，Prdx4、)，在HFD小鼠的胰岛组织中表达增加[38]。这些结果表明，高脂饮食会影响脂质代谢、炎症和氧化应激等基因的表达，从而从不同的信号途径促进T2DM的发生[8-9，39]。

多不饱和脂肪酸具有显著的降血糖降血脂的功效[40]。在空腹血糖受损或葡萄糖耐量受损的超重/肥胖患者中， n-3多不饱和脂肪酸(n-3 polyunsaturated fatty acids，PUFAs)可显著降低血糖和空腹血浆胰岛素水平，PUFAs的抗炎作用与NLRP3炎性体激活和随后抑制半胱天冬酶-1激活和IL-1/3分泌有关[41-42]。在补充omega-3的T2DM患者中，二十碳五烯酸/二十二碳六烯酸的比例较高(EPA / DHA)，血浆胰岛素水平降低[43]。此外，EPA可以促进胰岛素分泌，从而抑制胰腺细胞中脂质积聚[44]。

3 维生素在T2DM中的降血糖作用

另一类具有抗糖尿病特性的重要营养素是维生素[8-9]。维生素D参与调控的下游基因主要涉及免疫反应，趋化性，细胞死亡和胰腺β细胞活性等功能[45]。此外，维生素D通过直接调节细胞因子(如IL-1， IL-6)在单核细胞中的表达来降低T2DM的炎症反应并抑制细胞因子诱导的β细胞凋亡[46]。维生素D还可通过调节血浆钙水平来影响胰岛素合成和分泌[47]。较低的维生素D水平是T2DM发生的危险因素之一[48]。

研究表明，长期暴露于高水平的B族维生素(烟酸，硫胺素和核黄素)与糖尿病的患病率正相关[49]。无毒剂量的核黄素可抑制胰岛素瘤NIT-1细胞和哺乳动物胰岛细胞的p38磷酸化和IL-6的表达[50]。烟酰胺可以通过增加 INS1-1β细胞中v-Maf 肌腱膜纤维肉瘤癌基因同源物A(v-Maf avian musculoaponeurotic fibrosarcoma oncogene homolog A，MafA)基因转录来诱导胰岛素基因的表达[51-52]。此外，在小鼠中补充8周的维生素H增加了叉头框A2(Forkhead box A2，Foxa2)、细胞核因子4α(Hepatocyte nuclear factor 4α，Hnf4α)、葡萄糖激酶(Glucokinase，Gk)和乙酰辅酶A羧化酶(Acac)的表达，从而促进胰岛素的分泌，达到降低血糖的效果[53]。

4 氨基酸在T2DM中的降血糖作用

氨基酸能够直接调节胰岛素分泌以及维持β细胞功能[8-10，54，57-59]。亮氨酸(Leu)是动物体内唯一的生酮氨基酸,是支链氨基酸中对蛋白质代谢起主要调节作用的氨基酸，可以激活mTOR，促进p70S6K的磷酸化，进而促进蛋白质合成[55]。在胰岛素抵抗(Insulin resistance,IR)状态下，过度活化的mTOR及其下游底物核糖体蛋白S6激酶1(Ribosomal S6 kinase 1,S6K1)可通过负反馈调节阻断胰岛素信号通路，导致糖代谢紊乱[56]。牛磺酸是人体中的必需氨基酸，参与葡萄糖稳态的控制。这种效应被证明是磺脲类受体-1(Sur-1)，2型葡萄糖转运蛋白(Glut-2)和Pdx1基因表达增加的结果[57]。L-丙氨酸和L-谷氨酰胺被证实可调节胰岛β细胞信号转导，代谢和凋亡相关的基因(包括ATP柠檬酸裂解酶和过氧化氢酶)的表达[58]。此外，L-谷氨酰胺可显著上调钙调神经磷酸酶(Calcineurin，CaN)，从而促进 β细胞增殖[59]。

5 其他生物活性化合物在T2DM中的降血糖作用

除了上述化合物外，其他一些生物活性物质也具有降血糖的作用，例如三萜类化合物。该家族中研究最广泛的化合物之一是齐墩果酸(Oleanolic acid，OA)[60]。OA存在于120多种植物中，并且在橄榄叶中特别丰富，具有很强的抗氧化活性，可以保护细胞和组织免受氧化应激损伤[61]。研究表明，氧化应激损伤在胰岛素抵抗中发挥重要作用。齐墩果酸能减轻STZ诱导的胰岛损伤，可能是通过减轻氧化应激水平，减弱胰岛内NF-κB信号通路的过度激活而发挥作用的[60]。

盐酸小檗碱又名黄连素，是从黄连、黄柏等植物中提取的生物碱。既往研究证明小檗碱具有降糖、降脂和改善胰岛素抵抗的作用[62]。在高脂喂养的大鼠中，黄连素治疗6周后，随着体重的减轻和血脂的改善，口服葡萄糖刺激前后的血糖和胰岛素水平显著降低[63]。小檗碱可通过控制血糖、降低氧化应激和抑制多元醇通路的激活来改善糖尿病性肾病大鼠模型的肾功能障碍[64]。对2 型糖尿病而言，胰岛β 细胞的数量和功能状态举足轻重。小檗碱作为 PPARγ抑制剂可通过多分子靶点影响脂肪代谢，从而实现降糖降脂的功效[65]。

白藜芦醇(resveratrol)是一种天然多酚类化合物，存在于葡萄、花生、蓝莓等植物中，具有抗肿瘤、抗炎、抗增殖、改善胰岛素抵抗等多种生物活性作用[66]。糖尿病动物模型研究结果表明，白藜芦醇可通过阻断NF-κB依赖的炎性细胞因子IL-6， IL-8和MCP-1的表达来改善胰岛素分泌，降低糖尿病并发症[67]。另一种可能的机制可能是白藜芦醇通过诱导肠道微生物菌群的变化来改善血糖[68]。Bhatt等的人群研究结果显示，在2型糖尿病受试者中，白藜芦醇补充剂可以改善空腹血糖、总胆固醇、甘油三酯和低密度脂蛋白浓度[69]。此外，白藜芦醇的摄入降低2型糖尿病受试者的IR和氧化应激，并通过AKT途径改善了胰岛素信号传导[69]。

姜黄素(curcumin)被认为是糖尿病营养领域中另一种降糖降脂的生物活性物质。姜黄素的主要来源为姜科植物郁金块根、姜黄根茎、莪术根茎和天南星科植物菖蒲根茎等。研究表明，姜黄素具有抗炎、抗氧化、调脂、抗病毒、抗感染、抗肿瘤、抗凝、抗肝纤维化、抗动脉粥样硬化等广泛的药理活性，具有良好的药用前景[70]；姜黄素可以通过抗炎途径显著降低2型糖尿病大鼠糖化血红蛋白水平[71]；姜黄素可以剂量依耐性地抑制核转录因子 kappa B(Nuclear factor-kappaB，NF-κB )通路和c-Jun 氨基末端激酶(c-JunNterminalkinase，JNK)通路，增加 3T3-L1 脂肪细胞的葡萄糖摄取，逆转软脂酸诱导的胰岛素抵抗[72]。此外，姜黄素可以降低氧化应激引起的炎症反应，减轻炎症因子对胰岛细胞的损伤，从而促进胰岛细胞的再生和促进胰岛细胞分泌胰岛素[73]。姜黄素降糖功效与改善糖代谢、保护胰岛 β细胞和改善胰岛素抵抗相关。然而，其机制复杂，目前还不能明确地阐述其靶向作用机制。随着对其药理机制的深入研究，姜黄素的功效将会越来越清晰。

表1 各类营养素在T2DM中的降血糖作用及机制

6 总结与展望

T2DM是由遗传因素和环境因素(包括饮食)共同参与的慢性代谢性疾病。连锁分析、候选基因方法、全基因组关联研究和芯片技术为我们提供了大量遗传信息，可以更好地了解T2DM的遗传背景。但是，遗传因素只能解释很小部分的T2DM发病机制，而营养素和膳食模式是理解T2DM发病机制所要考虑的另一重要因素。因此，营养素—基因之间相互作用的研究将有助于我们更好地理解T2DM发病的病理学机制，为T2DM预防和治疗提供更多的理论依据。然而，人们对营养素与基因的相互作用及其机制的认识尚不深入。从营养基因组学的角度探讨饮食(营养素摄取及膳食模式)对基因组稳定性、表观基因组、RNA转录和蛋白质表达的影响，亦为科学家深入理解膳食营养素对人体健康的影响及其机制提供了新的研究思路。

目前，营养基因组学研究仍存在一些亟待解决的问题。第一，单个营养素或者单个SNP位点对机体表型的影响是微小的，仅仅从营养元素的种类或者含量去探讨其对人体健康的影响，这样的研究结果是缺乏说服力的。因此，我们必须从系统生物学水平上探讨营养素对机体的作用。我们必须整合基因组学、转录组学、蛋白质组学及代谢组学等不同组学的研究思路和方法，目的就是尽可能地获得生物系统每个层次的信息并将它们进行整合。营养基因组学研究不仅仅要揭示营养素的成分和功能，还要揭示机体内部细胞信号通路的相互作用和调控规律。其次，目前的组学研究仍缺乏足够的人群研究数据。不同地域的人类在生活方式和饮食习惯的差异、食物活性成分的多样性、人类遗传易感性及营养适应性方面的差异等，都需要大量人群研究的统计结果才能合理地分析和解释营养素对人类健康的不同影响。第三，如何更有效地获取组学技术产生的海量数据？随着生物信息学技术以及组学技术的发展，科学家从动物实验及人群研究中获取了海量的组学大数据。然而如何能高效地分析和利用这些大数据，从而获得更有价值的信息，是科学家们所要面临的一大挑战。